源-網(wǎng)-荷互動的虛擬電廠分布式協(xié)同控制探究

余俊杰 劉國民 楊涌新

摘 ?要：在我國科學技術發(fā)展的過程中，新能源智能配電網(wǎng)快速發(fā)展，源-網(wǎng)-荷互動逐漸頻繁，其中虛擬發(fā)電廠有靈活的組織結構，并且應用了不同技術全面克服了用戶與發(fā)電廠之間的界限。該文提出了一種基于多智能體系的分布式協(xié)同優(yōu)化控制策略，在通信網(wǎng)絡中應用一致性算法進行二級優(yōu)化控制，從而對參考電壓與頻率進行全面修整，以此來對分布式設備功能率進行精確分配。

關鍵詞：源-網(wǎng)-荷互動;虛擬電廠;分布式協(xié)同控制系統(tǒng)

中圖分類號： TM72 ? 文獻標志碼：A

0 前言

隨著信息技術在各個領域中的廣泛應用，一些以化石能源為主的能源系統(tǒng)逐漸變?yōu)橐钥稍偕茉礊橹鞯木G色電力系統(tǒng)。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)從單向化向雙向互動系統(tǒng)方向轉變，其中電力企業(yè)在發(fā)展期間主要實現(xiàn)了用戶管理能源生產(chǎn)。但是，分布式電源會對電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，為了對能源實施協(xié)調，提出了通過虛擬發(fā)電廠使新能源電力與主動配電網(wǎng)相互配合。因新能源有一定的不可預測性與隨機性，需要儲能、電源以及柔性負荷等的有效配合，以此來確保系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟性與穩(wěn)定性。

1 研究背景及意義

在我國的經(jīng)濟發(fā)展過程中，環(huán)境污染嚴重，并且資源使用量不斷減少，導致電力系統(tǒng)運行環(huán)境面臨新的問題。國家在治理期間，電力系統(tǒng)發(fā)電資源逐漸向清潔方向發(fā)展，并且通過并網(wǎng)運行提升節(jié)能減排效果，也在區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、供電可靠性等方面帶來了一系列負面影響。為了提高電網(wǎng)運行的安全性，需要利用新能源，因此虛擬電廠得到了人們的廣泛關注。虛擬電廠作為包含靈活負荷和多種分布式電源的獨立可控系統(tǒng)，將分布式電源、負荷、儲能裝置、變流器以及監(jiān)控保護裝置有機整合在一起，可以靈活地在并網(wǎng)運行與孤島運行模式之間平滑切換，從而大大提高供電的可靠性、安全性和主網(wǎng)友好性。為提升虛擬電廠的可觀性和可控性，使虛擬電廠成為電網(wǎng)公司管控分布式電源的有力抓手，亟需深入開展分布式電源規(guī)模化接入配電網(wǎng)后的集群分布式電源的虛擬電廠協(xié)調控制平臺的研究與開發(fā)，為高滲透率分布式電源接入電網(wǎng)的運行控制提供更先進的手段，實現(xiàn)配電網(wǎng)對分布式電源的充分消納、主動管理和優(yōu)化控制，使得虛擬電廠能夠參與電力市場及輔助市場服務，實現(xiàn)真正意義上的“源-網(wǎng)”協(xié)同，達到用戶和電網(wǎng)公司的雙贏。

2 基于多智能體系統(tǒng)的虛擬發(fā)電廠分布式控制架構

2.1 能源交換機智能體功能設計

在自治層中能源交換機智能體是其關鍵設備，設備的運行情況對電廠有一定影響，其結構有標準電氣化接口以及標準化網(wǎng)絡結構等，此外，標準化電氣接口為分布式設備提供并網(wǎng)接口，標準化網(wǎng)絡接口能夠對分布式設備端口信息進行自動化掃描與識別[1]。

能源交換機會使輸出功能得到有效改變，并對電網(wǎng)頻率、電壓以及平滑系統(tǒng)電壓等進行跟蹤，其功能主要表現(xiàn)在以下5個方面。1）設備在線監(jiān)控、通信以及管理等功能。2）因分布式設備在運行期間具有下垂特性，應當對功率與下垂進行有效控制。3）電力能量交換在虛擬發(fā)電廠中能夠進行能量的交換與利用。4） 電能質量治理主要是在控制策略的基礎上進行諧波治理與無功補償。5） 虛擬發(fā)電廠在運行中極易出現(xiàn)故障問題，如果出現(xiàn)孤島以及短路情況，能夠在故障預警的基礎上，在故障之前進行預警。

2.2 能量路由器智能體功能設計

能量路由器智能體功能主要表現(xiàn)在以下5個方面。1）能量路由器智能體功能中具有管理、通信等功能。2）在進行能量交換的過程中，可以利用設備以及交換機完成能量交換，同時有效利用交換后的能量。3）無功補償與諧波治理。4）可進行調配，具有較高的靈活性，同時在發(fā)電預測的基礎上有效管控能源。5） 在一些薄弱環(huán)節(jié)中對相關參數(shù)進行辨識以及故障識別，對故障位置與類型進行快速確定。

3 分布式協(xié)同優(yōu)化設計

配網(wǎng)級智能體中的能量管理系統(tǒng)會在運行成本、電價以及環(huán)境保護等因素的基礎上，制定行之有效的發(fā)電規(guī)劃。不同分布式設備在運行期間會產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息，被能量路由器智能體接收，同時通過配網(wǎng)級智能體接收調度容量信息，通過智能體控制目標，根據(jù)實際情況協(xié)調相關設備。如果外網(wǎng)系統(tǒng)存在并網(wǎng)，聯(lián)絡線功能在調節(jié)的過程中應控制誤差范圍，一般情況下不能大于5%，由于系統(tǒng)在運行期間具有一定的獨立性。如果虛擬電廠與外網(wǎng)絡聯(lián)絡線出現(xiàn)的波動與功率限制相比相對較大，需要對分布式設備速率進行把控，確定調節(jié)任務設備類型。如果負荷波動小，能夠對儲能充放電功率進行調整，以此來對聯(lián)絡線功率波動進行平抑。

3.1 稀疏通信網(wǎng)絡拓撲架構

不同智能體在運行期間會接收相關信息，比如電壓與頻率，與相關智能體間進行有效通信，并且通過一致性算法，計算出網(wǎng)絡狀態(tài)信息，根據(jù)計算結果，調整頻率與電壓測量過程中所產(chǎn)生的誤差，以此形成另一種頻率與電壓[2]。

3.2 一致性控制流程

3.2.1 本地下垂控制

對于不同分布式設備來說，需要對系統(tǒng)頻率與電壓進行有效控制，為了實現(xiàn)全面控制，需要調節(jié)功率。其中：頻率、有功功率、電壓與無功功率間存在一定關聯(lián)，并且能夠以下公式呈現(xiàn)：

4 仿真與分析

4.1 未超過聯(lián)絡線功率約束，響應虛擬電廠需求

不同分布式設備在能量路由器發(fā)送的計劃指令的基礎上，確保設備運行的穩(wěn)定性，也就是儲能、光伏、風能保持在15 kW、5 kW、2 kW。如果虛擬發(fā)電廠產(chǎn)生的負荷不穩(wěn)定，在此期間，儲能裝置將發(fā)揮重要的作用，因此應對其進行有效調節(jié)，以此來使系統(tǒng)有足夠的運行能量，聯(lián)絡線功率與之前相比沒有明顯改變。

4.2 孤島設計時，虛擬發(fā)電廠從外部網(wǎng)絡吸收能量

能量路由器智能體會在一定時間內形成計劃孤島，發(fā)電廠會通過外網(wǎng)獲取相關能量，離網(wǎng)后不同智能體之間會形成通信，并且還應對其進行控制，不同分布式設備有功功率根據(jù)相關比例有效分配。此外，不同分布式設備電壓與系統(tǒng)平均電壓保持一致，與額定電壓值較為接近。

4.3 非計劃孤島時，外部網(wǎng)絡向虛擬發(fā)電廠提供能量

能量路由器智能體在11 s時間段時產(chǎn)生非計劃孤島，在離網(wǎng)之前，分布式設備會產(chǎn)生較大能量，一些剩余能量會傳輸?shù)酵饩W(wǎng)中。離網(wǎng)之后，不同分布式設備中的智能體之間有通信功能，并且在對其控制的基礎上，需要對有功功率實施分配，在分配的過程中應根據(jù)相關比例，只有這樣才能進行對有功功率的控制。此外，應確保不同分布式設備的電壓與系統(tǒng)平均電壓一致。

5 結語

綜上所述，在進行虛擬電廠建設的過程中，采用了在多智能體系統(tǒng)基礎上分布式協(xié)同優(yōu)化的控制方法，能夠確保分布式能源系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行。在設計的過程中，需要設計能量交換智能體，同時還應設計多端口路由器，以此來實現(xiàn)能量的優(yōu)化。此外，還應構建分布式通信網(wǎng)絡，通過多智能體一致性算法，對分布式設備頻率與電壓進行調整，不管是孤網(wǎng)還是并網(wǎng)，均能夠對不同分布式設備進行精確控制，保證不同其具有穩(wěn)定的額定電壓。

參考文獻

[1]高輝， 徐晴， 歐陽曾愷，等. 含多類型分布式電源的源網(wǎng)荷協(xié)調優(yōu)化控制策略分析[J]. 江蘇電機工程， 2018（4）：21-26.

[2]徐杰彥， 裴冠榮， 張薇，等. 基于源網(wǎng)荷協(xié)同的發(fā)電能力提升初探[J]. 電子技術與軟件工程， 2019（5）：240-242.

基金項目：“廣東電網(wǎng)有限責任公司科技項目資助（項目編號：GDKJXM20185069（032000KK52180069））”。